Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Máster Ingeniería Industrial Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Autor: José Cano Barrios Tutor: José Sánchez Ramos Dpto. Ingeniería Energética Grupo Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Proyecto Fin de Máster Ingeniería Industrial Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Autor: José Cano Barrios Tutor: José Sánchez Ramos Profesor titular Dpto. Ingeniería Energética Grupo Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Proyecto Fin de Carrera: Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Autor: José Cano Barrios Tutor: José Sánchez Ramos El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos Ha sido un camino duro pero gratificante y bonito, me gustaría expresar mi agradecimiento a todo aquel que me ha ayudado y apoyado en el máster de ingeniería en general, y en este trabajo en particular: A mi familia, por no cuestionar mis decisiones y por su apoyo incondicional. A mis amigos y compañeros de clase, sin los cuales hubiera sido imposible superar el máster. A mis profesores, que me han transmitido conocimientos de calidad y me han guiado en este recorrido. xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. A la izquierda sistema sin contacto con el aire, a la derecha sistema falling Film con contacto directo con el aire [2] 2 Figura 2. Estimación de necesidades de refrigeración en Europa [kWh/m2 año] [3] 2 Figura 3. Reparto de la producción fotovoltaica durante un día 3 Figura 4. Disposición de panel con falling-film 6 Figura 5. Esquema del sistema 9 Figura 6. Esquema de funcionamiento Cartuja Qanat 10 Figura 7. Plano de planta modulos fotovoltaico Cartuja Qanat 11 Figura 8. Almacenaje de agua en los "Qanats" 12 Figura 9. Corte transversal "Qanats" 13 Figura 10.Elementos de control Cartuja Qanat 14 Figura 11. Instalaciones de proyecto WaterCool 16 Figura 12. Sistema hidraúlico Water Cool 17 Figura 13. Plano de planta panel fotovoltaico proyecto WaterCool 18 Figura 14. Sistema de tuberías proyecto Water Cool 19 Figura 15. Sistema de control. Proyecto Water Cool 19 Figura 16. Esquema de funcionamiento. Modo Noche 22 Figura 17. Esquema de funcionamiento. Modo Día 22 Figura 18. Válvula de corte 25 Figura 19. Depósito enterrado 25 Figura 20. Bomba de impulsión 26 Figura 21. Curva de funcionamiento bomba 26 Figura 22. Arqueta de desbaste 27 Figura 23. Esquema funcional sistema fotovoltaico 27 Figura 24. Estructura para paneles fotovoltaicos 28 Figura 25. Disposición de los módulos fotovoltaicos 28 Figura 26. Inversor de red 29 Figura 27. Sistema de medición de energía 29 Figura 28. Boquillas rociadoras 30 Figura 29. Esquema de módulo fotovoltaico 31 Figura 30. Filtro de arena 31 Figura 31. Unidad de Tratamiento de Aire 32 Figura 32. Zonas climáticas 39 Figura 33. Consumos medios mensuales vivienda tipo 40 Figura 34. Consumo horarios de un dia tipo y por meses 41 Figura 35. Funcionamiento sistema falling-film en el módulo fotovoltaico 44 Figura 36. Evolución de temperaturas del cielo 46 Figura 37. Evolución temperaturas de bulbo húmedo 47 Figura 38. Evolución temperaturas exterior seca 47 Figura 39. Evolución temperaturas de depósito (5 m3) 48 Figura 40. Demanda de producción de frío de la vivienda VS producción de frío sistema falling-film (5 m3) 48 Figura 41. Evolución temperaturas de depósito (10 m3) 49 Figura 42. Demanda de producción de frío de la vivienda VS producción de frío sistema falling-film (5 m3) 49 Figura 43. Evolución temperaturas de depósito (2,5 m3) 50 Figura 44. Demanda de producción de frío de la vivienda VS producción de frío sistema falling-film (2,5 m3) 50 Figura 45. Introducción de datos de radiación 53 Figura 46. Análisis de consumo con 10 módulos. 55 Figura 47. Horarios tarifas eléctricas 56 Figura 48. Producción fotovoltaica mensual 56 Figura 49. Consumo mensual 56 Figura 50. Baterías de litio 66 xix Notación UTA Unidad de Tratamiento de Aire PV Fotovoltaica NCT Natural Cooling Techniques W Watios e.o.c. En cualquier otro caso 1 1 INTRODUCCIÓN En el presente capitulo se hará un resumen general del momento actual tecnológico o estado del arte donde se enmarca la refrigeración natural de viviendas y se creará el preámbulo adecuado para dar comienzo al estudio de la solución concreta propuesta. Son muchas las técnicas aportadas por el ser humano en búsqueda del aislamiento térmico desde el comienzo de los tiempos. Desde encender un fuego para aumentar la temperatura interior con su conveniente salida de humos, hasta el revestimiento de color blanco en las fachadas para reflejar lo máximo posible el sol. 1.1 Refrigeración natural En la refrigeración natural existe un recurso natural y renovable que se encarga de disipar el calor ambiental. El diseño consciente de las viviendas debe estar orientado al uso de dichos recursos naturales para mantener las condiciones de confort requeridas con el mínimo consumo de energía. Las técnicas de enfriamiento natural se suelen caracterizar por el uso de agua o aire como fluido de transferencia de calor. El agua, en concreto, tiene mejor rendimiento de transferencia y es por ello por lo que el desarrollo de este trabajo se centrará en su uso. Dicha agua, necesaria para el sistema de refrigeración natural, se puede obtener de diversas formas: del subsuelo, con sistemas de refrigeración evaporativa y mediante la técnica de refrigeración agua-aire mediante un “panel de radiación” y el cielo como fuente natural disipador del calor. El cielo tiene un gran potencial disipador de calor, reportado en numerosos estudios teóricos y experimentales previos. La solución adoptada, foco de este trabajo, se basa en el enfriamiento de agua a partir de la superficie de un panel fotovoltaico con el fin de utilizar el cielo como disipador de calor ambiente. 1.2 Sistema de refrigeración por radiación Se define NCT como “técnicas naturales de refrigeración” (del inglés Natural Cooling Techniques”. Como su nombre indica, estas técnicas se basan en el uso de algún recurso natural como puede ser el aire, agua o el propio cielo para refrigerar de manera natural. Este último recurso, el cielo, es el seleccionado por los autores de los artículos de investigación en los que se basa este trabajo como vector para transferir calor. Se considera que el cielo es un sumidero de calor natural con un alto potencial de enfriamiento, el objeto de la investigación realizada aquí fue el enfriamiento por radiación nocturna. El enfriamiento por radiación nocturna es un proceso natural en el que un objeto o superficie emite radiación infrarroja hacia el espacio exterior en forma de ondas electromagnéticas, lo que provoca que disminuya su temperatura. Más concretamente, la esencia de este trabajo esta basado en la investigación por parte del Grupo de Termotecnia de la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla y que dan autoría al artículo posteriormente mencionado “Falling-film as natural cooling technique: Modelling and energy impact assessment”. La base de esta investigación es la adición de la evaporación al sistema de refrigeración por radiación y convección. Introducción 2 La radiación y convección son los métodos ya utilizados para la transferencia de calor en otros sistemas por radiación ya investigados. En cambio, este sistema incluye la evaporación al estar en contacto directo el agua con el aire. Esto hace que el sistema de disipación de calor tenga un aumento de potencia de enfriamiento mayor que otros sistemas anteriormente estudiados. Figura 1. A la izquierda sistema sin contacto con el aire, a la derecha sistema falling Film con contacto directo con el aire [2] 1.3 Necesidad de hibridar electricidad y producción de frío Como se comentaba en el punto inicial del trabajo, las necesidades energéticas debido al aumento de temperatura global se verán incrementadas en los próximos años. Como se comentaba en el punto inicial del trabajo, las necesidades energéticas debido al aumento de temperatura global se verán incrementadas en los próximos años. Figura 2. Estimación de necesidades de refrigeración en Europa [kWh/m2 año] [3] Esto sumado al aumento y desarrollo de la “electrificación” en los países desarrollados, hace que sea necesario pensar en nuevas formas de aunar la producción eléctrica sostenible y la producción de frío. 3 3 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. El desarrollo actual se dirige a una producción eléctrica deslocalizada y de autoconsumo, como se viene comprobando con el aumento de las numerosas instalaciones fotovoltaicas para consumo propio. Parece ser el modelo más lógico: se ahorra en el transporte de la electricidad, y se aumenta su eficiencia al consumirse “in situ”. La introducción de nuevos equipos de consumo eléctrico como puede ser la proliferación del coche eléctrico hace que las necesidades eléctricas en viviendas unifamiliares vayan en aumento. Por otro lado, si se consigue disminuir la cantidad de energía que se destina a la producción de frío, se consigue aumentar la eficiencia por partida doble: mayor energía eléctrica para otros consumos, y aprovechamientos de la instalación fotovoltaica para la producción de frio (sistema de radiación). Hay que tener en cuenta que cuando la demanda de producción de frío será mayor será en las horas centrales del día, que coincide con la mayor producción eléctrica de un sistema fotovoltaico. Figura 3. Reparto de la producción fotovoltaica durante un día De igual modo, por épocas del año, la producción de frío vendrá asociada a los meses de mayor producción fotovoltaica. Esto hace que el sistema fotovoltaico sea el ideal para hibridar un sistema de producción de frío como es el sistema propuesto por radiación. Cuando no sea suficiente con el sistema de radiación, se puede apoyar en algún sistema de refrigeración eléctrico que sea alimentado directamente por el sistema de generación eléctrica fotovoltaica (bomba de calor). Esta hibridación tiene otras ventajas como se podrá ver posteriormente, entre otras, la limpieza de los paneles fotovoltaicos al activar el sistema de radiación nocturno. En términos de rendimiento, se puede decir que el factor de uso de la cubierta es total, durante el día, para producir electricidad con los paneles fotovoltaicos, y durante la noche, para refrigerar el agua que se utilizará al día siguiente para refrigerar la vivienda. Esto sumado al aumento y desarrollo de la “electrificación” en los países desarrollados, hace que sea necesario pensar en nuevas formas de aunar la producción eléctrica sostenible y la producción de frío. Introducción 4 1.4 Tecnologías existentes Como se ha comentado al inicio del documento, este trabajo está basado en las investigaciones desarrollada por el grupo de termotecnia de la Escuela Superior de Ingeniera de Sevilla (Universidad de Sevilla). De dicho desarrollo surgen dos proyectos reales donde se implanta, entre otras tecnologías, el sistema de enfriamiento de agua almacenada en el subsuelo mediante la evaporación con el aire y la radiación nocturna (Sistema de disipación de lámina descendente sobre paneles fotovoltaicos). Se procede a realizar un resumen de cada uno de los dos proyectos. 1.4.1 Cartuja Qanat Se trata de un proyecto ubicado en la isla de la Cartuja, en Sevilla, con objetivo principal de fomentar las nuevas tecnologías para el desarrollo de la mejora bioclimática en entornos urbanos. En este proyecto se describe la solución propuesta para acelerar la transformación urbana, inspirándose en el uso de la urbe como dinamizador social, mejorándola, e involucrando en esa transformación a usuarios públicos, privados, así como a los propios ciudadanos en un revolucionario Sistema de Gobernanza, basada en la adopción de nuevas soluciones para la mejora microclimática: sistemas de enfriamiento de aire y agua, nuevo espacio de estancia semiconfinado acondicionado para albergar diversas actividades (zoco) y el anfiteatro bioclimático. El proyecto alberga un conjunto de rehabilitaciones de estructuras existentes (Expo 92) y nuevas obras que le dan un valor y dimensión importante como avance tecnológico y propuesta de valor para la ciudad de Sevilla. Entre otras instalaciones, las más interesantes de cara a este trabajo son las siguientes: ➢ Construcción de qanats. Un qanat es una instalación concebida para el enfriamiento del aire mediante su paso a través del interior de unos conductos dispuestos dentro de un volumen de agua a baja temperatura alojado en una estructura de hormigón (marco) que se instala bajo rasante. Por debajo de este marco también se disponen una serie de conductos enterrados. Tanto los conductos enterrados como los sumergidos son de material plástico. Se proyectan un total de dos qanats contiguos a las fachadas este y oeste del zoco, con una longitud de 40 m cada uno de ellos. ➢ Sistema híbrido de enfriamiento/calentamiento de aire para acondicionamiento del zoco en invierno y verano y del anfiteatro en verano. En este sistema interviene el propio zoco, con las especiales características de su configuración en planta y en alzado, así como de las barreras laterales de su perímetro y la propia cubierta, los qanats, también de nueva construcción, y el acueducto existente que es rehabilitado y dotado de un sistema para la disipación nocturna de energía para el enfriamiento de agua de los qanats mediante boquillas pulverizadoras. Igualmente, se ha provisto al sistema de otro método de disipación nocturna consiste en la generación de una película descendente de agua sobre los paneles solares a instalar en la cubierta del zoco. Como complemento, se instala una bomba de calor aire/agua, que completa el sistema de enfriamiento/calentamiento de agua de los qanats. Por último, el zoco estará dotado de un sistema de distribución y difusión del aire enfriado/calentado mediante impulsión desde el plano inferior. La bomba de calor del zoco da servicio también a la Unidad de Tratamiento de Aire Exterior prevista en el anfiteatro. El anfiteatro, en su zona este correspondiente a las gradas, también estará dotada de un sistema de producción y una red de distribución y difusión del aire enfriado para su acondicionamiento climático. ➢ Instalación fotovoltaica. Esta instalación se conformará mediante la disposición de paneles solares sobre la cubierta del zoco. ➢ Instalaciones no bioclimáticas. Para hacer viable el funcionamiento de las distintas tecnologías climáticas que forman parte del presente proyecto, así como el propio funcionamiento del zoco, edificio 5 5 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. técnico o anfiteatro como espacios destinados a un uso, se hace necesario proyectar una serie de instalaciones adicionales. Se denominan instalaciones no bioclimáticas, al no estar relacionadas de manera directa con las diferentes tecnologías de control climático que forman parte de este proyecto y que constituyen el objeto fundamental del mismo y son las siguientes: saneamiento, fontanería, riego, electricidad, alumbrado y protección contra incendios ➢ Sistema de monitorización y control de cada uno de los sistemas que constituyen el proyecto. Se proyecta este sistema de modo que permita una óptima gestión del conjunto de los sistemas. Dentro de los sistemas de disipación y enfriamiento encontramos que Cartuja Qanat cuenta con varios: • Sistema de disipación evaporativo sobre estanque (DIS-1) • Sistema de disipación evaporativo sobre acueducto (DIS-2) • Sistema de disipación de lámina descendente sobre paneles fotovoltaicos de la cubierta del zoco (DIS-3) • Sistema de enfriamiento de agua del qanat mediante bomba de calor (SIS-4) • Sistema de control de la temperatura superficial de la cubierta del zoco mediante TABS no inerciales (SIS-5). • Sistema de enfriamiento y limpieza por riego sobre la cubierta textil del anfiteatro (SIS-6) • Sistema de enfriamiento evaporativo para la barrera oeste del zoco (SIS-7) De entre todos ellos, el trabajo se centrará en el sistema de lámina descendente sobre paneles fotovoltaicos de la cubierta del zoco. Este sistema se basa en la reducción de la temperatura del agua del sistema (qanat + cántara de recirculación) mediante la disipación térmica que se produce durante el recorrido que realiza el agua proyectada desde una serie de boquillas sobre los paneles fotovoltaicos ubicados en la cubierta del zoco. El agua desciende por los paneles y durante este recorrido se atempera con el ambiente exterior reduciendo su temperatura. El agua vertida sobre los paneles fotovoltaicos se recoge en los canalones de recogida de agua de lluvia de cada uno de los paños de la cubierta del zoco. El agua atemperada / refrigerada retorna por gravedad a la cántara de recirculación (DEP- 1). En caso de lluvia los canales de recogida de los paños de cubierta donde se ubican los paneles fotovoltaicos recibirán el agua de lluvia y a través del sistema de drenaje la conducirá hacia la cántara de recirculación (DEP- 1). Se ha previsto disponer en la red enterrada de drenajes de una arqueta dotada de válvulas de corte motorizadas que permita, en los casos que sea necesario, verter el agua de lluvia a la red de saneamiento. En el capítulo 2, se entrará en detalle de las soluciones adoptada para el sistema de disipación de lámina descendente sobre paneles fotovoltaicos para su estudio y comparación con la otra solución real implementada (WaterCool). 1.4.2 WaterCool El proyecto WATERCOOL tiene como objetivo general acelerar la transformación urbana, inspirada en el uso de la ciudad como una dinámica social, mejorándola e involucrando la transformación pública, privada y ciudadana en un sistema de gobierno revolucionario. WATERCOOL construirá un modelo de gobierno y participación pioneros en la mejora del entorno urbano basado en el legado cultural, de manera sostenible, rentable y eficiente y con la participación de todos en la adaptación al cambio climático. El proyecto WATERCOOL tiene como objetivo genérico demostrar la eficiencia de un concepto integrado y sistémico de gestión urbana del agua con efectos de amortiguación relevantes a los eventos estocásticos, mejorando la calidad de vida de los ciudadanos. Hibridación sistema fv y refrigeración 12 disponer en el mercado de soportes adecuados y económicos a la cubierta, también se elige ese tamaño por la disponibilidad de muchos modelos de características similares a las placas proyectadas. El principal criterio para la elección de las placas ha de ser la eficiencia que debe estar obligatoriamente por encima del 20%. En total se instalarán 190 paneles de 410 Wp cada uno. La instalación fotovoltaica proyectada tiene una potencia nominal de aproximadamente 80 KW, siendo su potencia pico en condiciones estándares (1000 W/m2, 25ºC temperatura de célula y 1,5 IAM) de 77900 Wp. La potencia total en inversores será de 105 kW, con un total de 7 inversores de 15kW cada uno de ellos. Estos inversores se ubicarán en la sala de electricidad del edificio técnico. • Almacenaje de agua (Qanats) Un qanat es una instalación concebida para el enfriamiento del aire mediante su paso a través de unos conductos por el interior un volumen de agua a baja temperatura que se encuentra en el interior de una estructura de hormigón (marco) que se instala bajo rasante. Se proyectan un total de dos qanats contiguos a las fachadas este y oeste del zoco, con una longitud de 40 m cada uno de ellos Consisten en unos marcos, que se ejecutarán prefabricados en la mayor parte de su longitud, con sección en U de dimensiones interiores 2,00*1,50 m y una losa superior, que se dispondrán 0,60 m bajo rasante. Cada uno de estos marcos albergará un volumen de agua en cuyo interior se dispondrán 4 conductos para la canalización del aire impulsado desde los extremos (“conductos sumergidos”). Adicionalmente, bajo cada marco, se dispondrán 5 conductos que también canalizarán el aire impulsado desde los extremos (“conductos enterrados”). Estos conductos se han proyectado como tubería de polietileno PE100 PN6 de diámetro exterior 355 mm. Figura 8. Almacenaje de agua en los "Qanats" 13 13 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Figura 9. Corte transversal "Qanats" • Elementos del sistema hidráulico: ➢ Cántara de recirculación DEP-01 Se dispone de una cántara de recirculación de 10 m3 de volumen útil, siendo su superficie útil en planta de 10 m2 y una altura útil de 1 m. La cántara dispone de un foso de aspiración desde donde aspiran las bombas que dan servicio a los diferentes sistemas de enfriamiento. ➢ Grupo de presión El grupo de presión da servicio además del sistema de disipación de lámina descendente (DIS-3), a otros dos: -Sistema de enfriamiento de agua del Qanat mediante Bomba de calor (SIS–4) en modo de operación arranque día. ➢ Sistema de control de la temperatura superficial de la cubierta del zoco (SIS–5) en modo de operación día Este grupo de presión estará formado por tres bombas al 50% de caudal, cada una de las bombas dispondrá de un variador de frecuencia que permitirá ajustar el punto de funcionamiento de las bombas para los diferentes sistemas a los que da servicio. Para el sistema DIS-3, el grupo de presión suministrará el agua a las boquillas ubicadas sobre los paneles fotovoltaicos de la cubierta del zoco, para este sistema se requiere el siguiente punto de operación: Q= 66 m3/h. H= 38 m.c.a. Como se ha previsto disponer de un grupo de presión formado por tres bombas trabajando al 50 % del caudal, de forma que una de ellas permanecerá en reserva, el punto de funcionamiento de cada una de las bombas será: Q= 33 m3/h. H= 38 m.c.a. Hibridación sistema fv y refrigeración 14 El volumen de agua a enfriar es la suma del contenido en los Qanats y en la cántara de recirculación (DEP-1) ubicada en la sala de instalaciones hidráulicas en el sótano del edificio técnico, y corresponde a un volumen total de 150 m3/h (140 m3/h + 10 m3/h). ➢ Red de tuberías de impulsión ➢ Boquillas de chorro plano sobre paneles fotovoltaicos La lámina de agua descendente sobre los paneles fotovoltaicos se realizará mediante el uso de boquillas del tipo cortinas de agua de gran abertura. Las boquillas se distribuirán por la parte superior de los paneles fotovoltaicos de forma que la distancia entre ellas sea de un metro. Se disponen en la cubierta de 4 paños orientados al sur donde se ubican los paneles fotovoltaicos, cada uno de los paños tiene una longitud de 25 m, se ha previsto disponer de un circuito por cada uno de dichos paños. Cada circuito que da servicio a cada uno de los paños de la cubierta está dotado de una válvula de corte motorizada que permite actuar sobre el sistema según necesidades. - Tipo: Boquillas de pulverización de chorro plano - Caudal unitario: 10 l/min - K: 18.26 - Presión de trabajo: 0’3 bar - Unidades: 25 unidades por cada paño. Total 100 unidades. - Marca / modelo: DELRIN/ACETAL CW-04 o similar El número total de boquillas a disponer es de 100 unidades, siendo el caudal total de 1000 l/min (60 m3/h), considerando un gradiente hidráulico de 1’1 el caudal teórico de descarga será de 66 m3/h. ➢ Red de retorno por gravedad a la cántara de recirculación ➢ Arqueta para vertido a red en caso de Lluvia • Elementos de control Figura 10.Elementos de control Cartuja Qanat 15 15 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Temperatura de agua en la impulsión de las bombas. ➢ Temperatura del agua en las salidas de los intercambiadores. ➢ Temperatura del agua a la entrada de los Qanats. ➢ Temperatura del agua a la salida de los Qanats. ➢ Temperatura del agua en el circuito de retorno desde paneles fotovoltaicos. ➢ Presión a la entrada de los intercambiadores. ➢ Presión a la salida de los intercambiadores. ➢ Contadores de agua en la entrada de los Qanats ➢ Contadores de agua en cada uno de los circuitos de los paneles fotovoltaicos. ➢ Contador de agua en el circuito de retorno a la cántara desde los canalones de la ➢ cubierta del zoco. ➢ Válvulas todo/nada motorizadas para funcionamiento del sistema de intercambio ➢ con bomba de calor (SIS-4). ➢ Válvulas todo/nada motorizadas para circuito de retorno a la cántara desde ➢ intercambiadores. ➢ Válvulas todo/nada motorizadas para circuito de retorno en la red enterrada. ➢ Variadores de frecuencia para regulación de puntos de funcionamiento de las ➢ bombas. ➢ Trasmisores de presión diferencial en los filtros de aspiración y de impulsión. ➢ Transmisor de presión en aspiración y en impulsión de grupo de presión. 2.2.1.2 Funcionamiento En el caso del Cartuja Qanat, existen numerosos sistemas bioclimáticos que interactuan entre ellos. Por lo tanto, no resulta tarea sencilla desacoplar el sistema de lámina de agua descendente del resto. Para comprender el funcionamiento de este sistema, hay que entender que se trata de un paso intermedio para la refrigeración. Es decir, la finalidad del sistema es bajar la temperatura del agua almacenada en los qanats para utilizarla como producto posteriormente en la UTA (Unidad de Tratamiento del Aire) en una primera etapa de refrigeración. Gracias a este intercambio de calor, se consigue el acondicionamiento climático de zonas interiores del edificio durante el día. Para mejorar su entendimiento, se puede dividir el sistema de lámina completo en 7 etapas. -Etapa 1. Captación de agua de la red. -Etapa 2. Bombeo del agua hasta zona de paneles fotovoltaicos. -Etapa 3. Pulverización del agua sobre los paneles fotovoltaicos y recogida en canalización. -Etapa 4. Llegada del agua al qanat (almacenaje) previa filtración. -Etapa 5. Recirculación del agua del qanat para mezclar adecuadamente el fluido. -Etapa 6. Bombeo del agua hasta zona UTA para acondicionamiento del aire del edificio. -Etapa 7. Regreso del agua de la UTA al Qanat. Hibridación sistema fv y refrigeración 16 2.2.2 Water Cool Al igual que el Cartuja Qanat, se trata de un proyecto donde hay varias instalaciones bioclimáticas. El proyecto original tiene por nombre “PROYECTO PARA EL DISEÑO ·DE PROTOTIPOS PARA GENERACIÓN DE CONDICIONES DE CONFORT EN EL ENCLAVE DEL PROYECTO PILOTO DE LA AVENIDA DE CRUZ ROJA” y se encuentra ubicado en la ciudad de Sevilla, dentro de las instalaciones de un colegio. Dicho proyecto a pesar de ser también complejo como el Cartuja Qanat, tiene un matiz más práctico y no tan de investigación como su homólogo. Las instalaciones bioclimáticas en este proyecto son 4: • Plaza. Sistema de adecuación de aire mediante dos UTAs en la plaza (SIS1) y el sistema de barreras de la fuente basado en dos niveles de pulverización (SIS2). A todo ello se une la cobertura en forma de árboles artificiales. • Parque (estancia no incluida en la ejecución de este proyecto). Dos UTA en los asientos del parque (SIS3) junto con un sistema de barreras evaporativas en las celosías de confinamiento que se sitúan en todo el perímetro (SIS4). A lo que se le suma la cobertura como elemento de protección solar. • El patio de Colegio. Sistema de control de temperatura superficial en la cubierta del patio del colegio mediante película descendente (SIS5) sobre el policarbonato compacto de la cobertura de propiedades solares variables mediante lamas (SIS6), junto con la impulsión de aire frío usando la red de conductos y el sistema evaporativo de relleno (SIS7); y finalmente la barrera evaporativa de micronizadores en el perímetro de la cobertura (SIS 9). • Marquesina. Sistema de control de la temperatura superficial de la marquesina de la parada de autobús (SIS8). La adaptación bioclimática de estas cuatro estancias utiliza sistemas de enfriamiento de agua mediante disipación nocturna, y sistemas de enfriamiento/calentamiento de agua mediante bomba de calor aire/agua como apoyo para la realización de las diferentes pruebas experimentales. El sistema de disipación nocturna se realiza mediante lámina de agua sobre paneles fotovoltaicos situados en la cubierta del colegio. Estos paneles producen energía eléctrica durante el día equilibrando el consumo del conjunto de los equipos. Los aljibes, dos de 25.000 l, las canalizaciones bajo calzada y el arquetón subterráneo para albergar las conexiones, valvulería y equipamiento hidráulico, se construyen en la adecuación de la avenida Cruz roja, antes mencionado. Figura 11. Instalaciones de proyecto WaterCool 17 17 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. El modo de operación tiene como objetivo el enfriamiento/calentamiento del agua del aljibe, respondiendo a las necesidades de climatización de las estancias. Tiene dos sistemas independientes para conseguir este objetivo. En las épocas de año en que es necesario el enfriamiento de las estancias, está previsto el funcionamiento del sistema de disipación nocturna mediante lámina de agua sobre paneles fotovoltaicos de la cubierta del colegio (DIS1). La producción de agua fría se realiza durante la noche entre las 0:00h y las 8:00h. Figura 12. Sistema hidraúlico Water Cool El sistema de disipación de lámina descendente sobre la cubierta del colegio (DIS-1) se basa en la reducción de la temperatura del agua del sistema mediante la disipación térmica que se produce durante el recorrido que realiza el agua proyectada por los paneles fotovoltaicos instalados. El agua desciende por los paneles y durante este recorrido se atempera con el ambiente exterior reduciendo su temperatura. El agua vertida sobre los paneles fotovoltaicos se recoge en los canalones de recogida de agua de lluvia de cada uno de los paños de la cubierta del colegio. El agua atemperada / refrigerada retorna por gravedad al aljibe. En caso de lluvia los canales de recogida de los paños de cubierta donde se ubican los paneles fotovoltaicos recibirán el agua de lluvia y a través del sistema de drenaje la conducirá hacia los aljibes, se ha previsto disponer en la red enterrada de drenajes de una arqueta dotada de válvulas de corte motorizadas que permita, en los casos que sea necesario, verter el agua de lluvia a la red de saneamiento. 2.2.2.1 Equipos y elementos principales Se procede a detallar los elementos principales característicos del Sistema. No son objeto de este punto el pequeño material como puede ser las canalizaciones de cableado, cables electricos, cuadros, etc. • Paneles fotovoltaicos Para disminuir el consumo de energía eléctrica desde la red de ENDESA, se proyecta un sistema de producción, mediante placas fotovoltaicas que además se utiliza para el enfriamiento del agua de los depósitos durante la noche. Se proyectan 5 playas independientes con 24 placas cada una de ellas lo que representa un total de 120 placas con una potencia pico de 400 w lo supone una potencia total de 48 kw. Las placas van conectadas a 3 inversores, dos de 25 kw y uno de 15 kw. Cada inversor cuenta con cuatro salidas independientes que es alimentado por 12 placas cada uno de ellos. Las placas se disponen sobre una estructura de perfiles de aluminio fijadas a la cubierta del edificio. El agua para su enfriamiento es transportada mediante tuberías de PP SDR 11 de diferentes diámetros, en las que se disponen las válvulas motorizadas necesarias para aislar cualquiera de las playas proyectadas. El trazado Hibridación sistema fv y refrigeración 18 de las conducciones se realiza bajo las placas de manera que quedan protegidas al sol. Para el reparto del agua sobre las placas se proyectan 14 boquillas en cada playa, capaces de distribuir 1000 l/h trabajando a una presión de 1 bar. Las boquillas son del tipo abanico de gran abertura de 160º. Se comprueba que con una superficie en la cubierta del colegio de 212,3 m2 para disipadores el rango de enfriamiento diario oscila entre los 250 y los 350 kWh dependiendo de la temperatura del agua del depósito. • Almacenaje de agua (Aljibes) En el subsuelo de la nueva plaza, se construirán dos aljibes cada uno de ellos de 25.000 litros de capacidad que darán soporte a las necesidades funcionales de agua de las distintas estancias. Estos aljibes y el sistema de circulación de agua, se combinarán con fuentes para enfriar de forma pasiva el agua almacenada. Para un salto de temperatura diario en depósito de 5ºC y tomando la opción más conservadora de rango de enfriamiento mencionada anteriormente, se tendría: 250 kWh = M · 4.18 [ kJ/kg·K] · 1[h]/3600[s] · 5[K]. Despejando se obtiene una masa de agua de 43000kg que se corresponde con dos depósitos de 20 m3 cada uno. Se diseñan dos aljibes con resguardo de 5 m3 cada uno, es decir de 25 m3. • Elementos del sistema hidráulico. ➢ Red de tuberías de impulsión ➢ Boquillas de chorro plano sobre paneles fotovoltaicos Figura 13. Plano de planta panel fotovoltaico proyecto WaterCool El agua se distribuirá se distribuirá en cada playa a través de 14 boquillas de 1.000 l/h cada trabajando a una presión de 1 bar en salida. Estas boquillas serían del tipo: CW04 – abanico de gran abertura 1/2″ bspt (gas) – Cortina o lámina de agua de 160º – (delrin/acetal) o equivalente. Estas boquillas permiten un rango de caudales en función de la presión a la que se someta. En el 19 19 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. dimensionamiento de la impulsión se establecerá las posibilidades de modificar el punto de trabajo. Caudal de diseño por playa: 14 boquillas * 1 m3 /h = 14 m3 /h Caudal de diseño total 5 playas x 14 m3 /h = 70 m3 /h ➢ Red de retorno por gravedad Figura 14. Sistema de tuberías proyecto Water Cool ➢ Arqueta para vertido a red en caso de Lluvia • Elementos de control Figura 15. Sistema de control. Proyecto Water Cool Temperatura de agua en la impulsión de las bombas. ➢ Temperatura del agua en las salidas de los intercambiadores. ➢ Temperatura del agua a la entrada de los Aljibes ➢ Temperatura del agua a la salida de los Aljibes ➢ Temperatura del agua en el circuito de retorno desde paneles fotovoltaicos. ➢ Presión a la entrada de los intercambiadores. ➢ Presión a la salida de los intercambiadores. Hibridación sistema fv y refrigeración 20 ➢ Contadores de agua ➢ Válvulas todo/nada motorizadas para funcionamiento del sistema de intercambio ➢ Válvulas todo/nada motorizadas para circuito de retorno ➢ Variadores de frecuencia para regulación de puntos de funcionamiento de las bombas. ➢ Trasmisores de presión diferencial en los filtros de aspiración y de impulsión. 2.2.2.2 Funcionamiento En el caso del Water Cool, existen numerosos sistemas bioclimáticos que interactuan entre ellos. Por lo tanto, no resulta tarea sencilla desacoplar el sistema de lámina de agua descendente del resto. Para comprender el funcionamiento de este sistema, hay que entender que se trata de un paso intermedio para la refrigeración. Es decir, la finalidad del sistema es bajar la temperatura del agua almacenada en los qanats para utilizarla como producto posteriormente en la UTA (Unidad de Tratamiento del Aire) en una primera etapa de refrigeración. Gracias a este intercambio de calor, se consigue el acondicionamiento climático de zonas interiores del edificio durante el día. Para mejorar su entendimiento, se puede dividir el sistema de lámina completo en 6 etapas. -Etapa 1. Captación de agua de la red. -Etapa 2. Bombeo del agua hasta zona de paneles fotovoltaicos. -Etapa 3. Pulverización del agua sobre los paneles fotovoltaicos y recogida en canalización. -Etapa 4. Llegada del agua al qanat (almacenaje) previa filtración. -Etapa 5. Bombeo del agua hasta zona interior para acondicionamiento del aire del edificio. -Etapa 6. recirculación del agua de vuelta a los depósitos. 21 21 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. 2.3 Propuesta tecnológica En el siguiente punto se procede a desarrollar en mayor detalle las características técnicas de la instalación propuesta. Como cada proyecto ingenieril, la propuesta final será única y concreta para cada instalación, aun así, se propone una serie de equipos comunes para la instalación. De esta manera se intenta aterrizar una solución comercial realizable. La implantación de la propuesta con diferentes variantes y con simulaciones para ver su viabilidad real, se realizará en el capítulo 3. 2.3.1 Antecedentes y síntesis de los proyectos de partida En primer lugar, se procede a realizar una comparativa entre los dos proyectos tomados como base, añadiendo apreciaciones y detalles propios, para luego describir y definir en mayor detalle la solución compacta que se propone. Ambos proyectos tomados como base son muy parecidos, pero con pequeños detalles que los hacen diferentes. A grandes rasgos, Water Cool se trata de una solución “optimizada” a partir de Cartuja Qanat, siendo mucho más practica y sencilla su implementación. En este subapartado se comparará las dos soluciones tomando como base las etapas de funcionamiento de Water Cool, siendo estas las etapas tipo con las que se quiere contar en la propuesta tecnológica. Para realizar esta síntesis parece adecuado, como en todo proyecto, dividir el trabajo en varias etapas (ya comentadas en el punto 2.2.2): -Etapa 1. Captación de agua de la red. -Etapa 2. Bombeo del agua hasta zona de paneles fotovoltaicos. -Etapa 3. Pulverización del agua sobre los paneles fotovoltaicos y recogida en canalización. -Etapa 4. Llegada del agua al depósito previa filtración. -Etapa 5. Bombeo del agua hasta zona interior para acondicionamiento del aire de la vivienda. -Etapa 6. recirculación del agua de vuelta al depósito. Es importante empezar a diferenciar también en 2 modos de trabajo: -Modo 1: enfriamiento del agua. Tiene lugar durante la noche. Se estima de 00:00 h a 8:00 h. Abarca las etapas 1,2,3 y 4. Hibridación sistema fv y refrigeración 28 o Corriente en Cortocircuito ISC: 13.98A o Eficiencia del Módulo: 21.3% o Amperios Máximos de Salida IMP: 13.12A o Tensión en Circuito Abierto: 49.80V o Peso del Panel Solar: 27.2kg o Marco del Panel Solar: Aluminio anodizado estableciéndose un total de 10 módulos, dando una potencia total de 5500 Wp. ➢ Estructuras triangulares Para la correcta colocación de los módulos y el uso de los rociadores y canalones, se necesita de una estructura. Se selecciona una tipo con un ángulo de inclinación de 12º grados. Figura 24. Estructura para paneles fotovoltaicos Quedando la instalación de la siguiente manera con dos filas de 5 módulos y calculando una separación optima entre ellas de 1,5 m: Harán falta 12 soportes de este tipo. Figura 25. Disposición de los módulos fotovoltaicos 29 29 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. ➢ Inversor y medidor de energía Dependiendo de la conexión a la red, la vivienda puede tener una conexión monofásica o trifásica y una potencia contratada. Siendo en el mayor de los casos la conexión monofásica, se selecciona para la solución tipo un inversor monofásico diseñado acorde a la potencia en paneles disponible. Figura 26. Inversor de red con las siguientes características: o Pico de Potencia del Inversor: 5000W o Potencia de Salida continuada: 5000W o Rango de Funcionamiento del MPP: 90-560V o Peso del Inversor: 12Kg Al inversor también hay que añadir como equipo importante el medidor de energía o vatímetro. Este es el encargado de informar de cuanta potencia se genera y discernir cual es la consumida en la vivienda y cual la importada/exportada a la red. Figura 27. Sistema de medición de energía Hibridación sistema fv y refrigeración 30 ➢ Canalizaciones y cuadro eléctrico Para realizar todo el conexionado eléctrico será necesario el siguiente material: o Tubos para canalización eléctrica desde cuadro general de la vivienda hasta la ubicación del inversor, y de este, a los módulos fotovoltaicos. o Cableado de corriente continua para la conexión módulos fotovoltaicos – inversor. o Cableado de corriente alterna para la conexión inversor – cuadro general de la vivienda. o Cuadro auxiliar a instalar con protecciones de corriente alterna (magnetotérmico, diferencial y sobretensiones). • Red de tuberías en la cubierta Atendiendo a los cálculos comentados de los proyectos tomados como orden de magnitud, se estima la siguiente red de tuberías considerando que pueden estar dimensionadas para varias casuísticas. El agua para su enfriamiento es transportada mediante tuberías de PP SDR 11 de diámetro 160 mm. El trazado de las conducciones se realiza bajo las placas de manera que quedan protegidas al sol. • Rociadores Para el reparto del agua sobre las placas se proyectan 10 boquillas (1 por cada módulo), capaces de distribuir 1000 l/h trabajando a una presión de 1 bar. Las boquillas son del tipo abanico de gran abertura de 160º. Figura 28. Boquillas rociadoras • Canalones y recogida de aguas El agua vertida sobre los paneles fotovoltaicos se recoge en los canalones de recogida de agua de lluvia de cada uno de los paños de la cubierta del colegio. El agua atemperada / refrigerada retorna por gravedad al depósito. Estos canalones, siguiendo las pautas de los proyectos de referencia, se dimensiona un canalón PVC de diámetro 160 mm. Harán falta unos 12 metros lineales. 31 31 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Figura 29. Esquema de módulo fotovoltaico 2.3.4.4 Etapa 4. Llegada del agua al depósito previa filtración. Desde la cubierta, el agua presumiblemente enfriada se vuelve a llevar a los depósitos por la red de agua a instalar. Dicho proceso, al igual que las etapas anteriores, tiene lugar durante la noche siendo parte del modo 1 “enfriamiento del agua”. Los elementos a destacar son: • Red de tuberías de retorno También se utilizará tuberías de PP SDR 11 de diámetro 160 mm para el retorno. Este se hará por gravedad. • Filtro de arena Previo paso al depósito, se filtrará el agua mediante un filtro de arena para el caudal necesario máximo (10 m3/h). Figura 30. Filtro de arena 2.3.4.5 Etapa 5. Bombeo del agua hasta interior para acondicionamiento del aire del edificio. • Red de agua a la unidad En el caso de esta instalación, a diferencia de la de los proyectos de referencia, en principio solo habrá un equipo receptor del agua. Este equipo se tratará de un Fan Coil en el caso de que tenga ya ventilación propia la vivienda, y de una Unidad de Tratamiento de Aire en el caso que no lo tenga. Es por ello que se dimensionará la red de tuberías igual en todo su recorrido siendo el dimensionamiento seleccionado de PP SDR 11 de diámetro 160 mm. Hibridación sistema fv y refrigeración 32 • Unidad de Tratamiento de Aire / Fan Coil No se entrará en detalle en este momento en cual será el equipo receptor del agua acondicionada para su uso. Para ello, en el capítulo 3 se parte de diferentes escenarios para establecer cual puede ser el equipo idóneo y su mejor implementación con otras tecnologías. A modo de ejemplo,el caso más sencillo y cómodo de tratar es el de un Fan Coil el cual trabaja con una batería de agua (proveniente del depósito) y enfría el aire. Figura 31. Unidad de Tratamiento de Aire 2.3.4.6 Etapa 6. Recirculación del agua de vuelta a los Depósitos. • Red de agua al deposito Mediante tuberías tipo PP SDR 11 de diámetro 160 mm volverá el agua al depósito para comenzar de nuevo el ciclo. 33 33 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. 2.3.5 Valoración económica: Presupuesto de Ejecución Material A continuación, se realiza una valoración económica general para una instalación tipo. Se tratan de precios actualizado al mercado a la fecha de la realización de este trabajo (agosto de 2023) y para obtener un orden de magnitud. A partir de esta valoración se procederá en el capítulo 3 a analizar la viabilidad de la instalación en base a la simulación de ahorro económico/energético que se genera con la implantación de esta tecnología hibridada. PRESUPUESTO DE EJECUCIÓN DE SISTEMA DE LÁMINA DESCENDENTE + FV Cod. Descripción Totales Precio (€) Importe (€) CAPÍTULO 1: TRABAJOS PREVIOS 1.01 ud. Estudio de la instalación Estudio particular de la instalación. Diseño y planificación de la ubicación de los elementos y particularidades propias de cada instalación. Total 1.00 300.00 € 300.00 € TOTAL CAPÍTULO 1 300.00 € CAPÍTULO 2: INSTALACIÓN HIDRAÚLICA 2.01 ud. Válvula de corte Estudio geotécnico del terreno en cualquier tipo de suelo. Todo ello recogido en el correspondiente informe geotécnico con especificación de cada uno de los resultados obtenidos, conclusiones y validez del estudio sobre parámetros para el diseño de las cimentaciones. Total 1.00 200.00 € 200.00 € 2.02 ud. Deposito soterrado Depósito de 5000 litros de polietileno de alta densidad de medidas 2,43 (Largo) x 1,85 (Ancho) x 1,55 (Alto) m y con un peso de 160 kg. Incluye la excavación necesaria de 3 x 2,5 x 2 m mediante medios mecánicos para que quede soterrado. Incluye las tomas / adecuación de entradas y salidas con las necesidades de la instalación. La unidad incluye l toda la mano de obra, maquinaria, medios auxiliares y pequeño material necesarios para su completa instalación. Total 1.00 3.200.00 € 3.200.00 € 2.03 ud. Bomba de 1,5 CV Bomba Centrífuga Multietapa Vertical Espa Multi 35-4 MN o similar. Potencia 1,50 Hp. Caudal máximo 10.500 litros a la hora. Altura manométrica máxima 56,9 metros. Tensión de alimentación: 230V monofásica. La unidad incluye l toda la mano de obra, maquinaria, medios auxiliares y pequeño material necesarios para su completa instalación e implementación. Total 2.00 600.00 € 1.200.00 € Hibridación sistema fv y refrigeración 34 2.04 ud. Arqueta de desbaste de gruesos Proporciona una acción de filtrado de los materiales más gruesas presentes en el agua ( piedras, hojas , tejas de escombros , basura, etc). Incluye su instalación y pequeño material necesario. Total 1.00 400.00 € 400.00 € 2.05 ud. Filtro de arena de polietileno Filtro de arena previo paso a depósito de almacenamiento de agua. Incluye su instalación y pequeño material necesario. Total 1.00 200.00 € 200.00 € 2.06 ml. Canalones de recogida Instalación de canalones de recogida de agua de 125 mm de diametro y de PVC, resistente a los rayos UV. Se instalarán bajo los módulos fotovoltaicos y hasta la red de regreso al depósito. Se incluye todo el material necesario para su instalación. Total 12.00 25.00 € 300.00 € 2.07 ud. Rociadores Rociadores CW04 - abánico de gran apertura 160º, 39 l/min o similar. Incluye su instalación y pequeño material necesario como el sistema de acople a la tuberia y fijación a la estructura del modulo fotovoltaico. Total 10.00 18.00 € 180.00 € 2.08 ml. Tuberias PP SDR 11 Tubos de Polipropileno Random con estructura monocapa PP-R SERIE 5 - SDR 11 para instalaciones de agua caliente y fría en el interior de la estructura de los edificios. Incluye su instalación entre los diferentes elementos de la instalación, así como su fijación en fachada mediante abrazaderas adecuadas para el tipo de recubrimiento. Se incluye los medios auxiliares y pequeño material necesario. Total 42.00 16.00 € 672.00 € TOTAL CAPÍTULO 2 6.352.00 € CAPÍTULO 3: INSTALACIÓN FV 3.01 ud. Módulo fotovoltaico de 550W Suministro y montaje de módulo fotovoltaico de silicio monocristalino de 550 Wp de potencia máxima cada uno, cable de DC de 1,5 m, incluidos medios auxiliares de elevación, material auxiliar, así como p.p. de pequeño material y accesorios, totalmente la unidad terminada. Total 10.00 160.00 € 1.600.00 € 35 35 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. 3.02 ud. Inversor Huawei 5 kW monofasico Suministro y montaje de inversor fotovoltaico DC/AC Huawei de 5 kW de potencia, incluidos medios auxiliares de elevación, material auxiliar, así como p.p. de pequeño material y accesorios, totalmente la unidad terminada. Total 1.00 720.00 € 720.00 € 3.03 ud. Medidor y gestor de la energia Vatímetro Suministro y montaje de gestor de la energía y vatímetro que permite ver el consumo eléctrico en tiempo real a través de la nube , incluidos material auxiliar, así como p.p. de pequeño material y accesorios, totalmente la unidad terminada. Total 1.00 150.00 € 150.00 € 3.04 ud. Soporte para los módulos fotovoltaicos Soporte de hormigón para cubierta plana, fácil instalación con 12º de inclinación.incluye l toda la mano de obra, maquinaria, medios auxiliares y pequeño material necesarios para su completa instalación e implementación. Total 12.00 50.00 € 600.00 € 3.05 ud. Instalación eléctrica FV Se incluye la instalación eléctrica necesaria y pequeño material para su conexión a la red de la vivienda. A incluir: -Canalizaciones -Cuadro CA: proteccion magnetotermica y diferencial superinmunizado clase A. -Cuadro CC: fusibles y sobretensiones. - Cableado CC de 4 mm2 rojo y negro incluidos material auxiliar, así como p.p. de pequeño material y accesorios, totalmente la unidad terminada. Total 1.00 1.500.00 € 1.500.00 € TOTAL CAPÍTULO 3 4.570.00 € CAPÍTULO 4: OTROS 4.01 ud. Sistema de control Sistema de control que incluye deelay Relé y pequeño plc para activar los modos noche / día respectivamente y la alimentación de la electroválvula cuando el depósito baje su nivel de llenado. Incluidos material auxiliar, así como p.p. de pequeño material y accesorios, totalmente la unidad terminada. Total 1.00 350.00 € 350.00 € Hibridación sistema fv y refrigeración 36 4.02 ud. Instalación eléctrica para bombas Cuadro eléctrico de alimentación y cableado necesario para alimentar los componentes eléctrico de la instalación hidraúlica. Incluidos material auxiliar, así como p.p. de pequeño material y accesorios, totalmente la unidad terminada. Total 1.00 600.00 € 600.00 € 4.03 ud. Revisión final y puesta en marcha Comprobación del funcionamiento de los sistemas y su implementación. Puesta en marcha. Total 1.00 400.00 € 400.00 € TOTAL CAPÍTULO 4 1.350.00 € TOTAL PRESUPUESTO EJECUCIÓN MATERIAL 12.572.00 € TOTAL PRESUPUESTO EJECUCIÓN MATERIAL 12.572.00 € GASTOS GENERALES + BENEFICIO INDUSTRIAL (19%) 2.388.68 € TOTAL PRESUPUESTO GENERAL 14.960.68 € Tabla 1. Presupuesto de la instalación 37 37 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. 2.4 Conclusiones Una vez analizado los dos proyectos de referencia con mayor detalle (Cartuja Qanat y WaterCool) se puede obtener la información necesaria para plantear la propuesta tecnológica concreta objeto de este estudio. Dicha propuesta se trata de una solución “tipo comercial” quedando asentadas las bases de la solución para ahora estudiar su implantación real y estudiar, de manera detallada, si es viable dicha propuesta. Para ello se realizará una simulación en una vivienda tipo real, y se calculará numéricamente los datos de la instalación en cuanto a consumo y ahorro energético para posteriormente estudiar su viabilidad económica con respecto al presupuesto estimado de la instalación. Implantación de la propuesta tecnológica 44 44 energética del agua se refiere a las pérdidas de calor por convección y radiación con el ambiente exterior (𝑄𝑐𝑣 + 𝑄𝑟𝑎𝑑) y también al fenómeno de enfriamiento por evaporación cuando el aire y el agua están en contacto directo (𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒) favoreciendo la disipación de calor. [2]. Figura 35. Funcionamiento sistema falling-film en el módulo fotovoltaico Por lo tanto, el balance de energía será: −𝑚𝑣 ∗ 𝐶𝑝𝑤 ∗ (𝑑𝑇𝑤 / 𝑑𝑥) = 𝑄𝑐𝑣 + 𝑄𝑟𝑎𝑑 + 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 Siendo, - 𝑚𝑣, el flujo de agua que circula por la superficie inclinada - 𝐶𝑝𝑤, el calor especifico del agua - 𝑑𝑇𝑤 / 𝑑𝑥 , donde 𝑇𝑤 es la temperatura del agua Si desarrollamos los flujos de calor del balance observamos: 𝑄𝑐𝑣 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑤 − 𝑇𝑎) 45 45 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. 𝑄𝑟𝑎𝑑 = 𝐴 ∗ 𝐹𝑠𝑘𝑦 ∗ σ ∗ ε ∗ (𝑇𝑤 4 − 𝑇𝑠𝑘𝑦 4 ) + A ∗ 𝐹𝑑𝑜𝑤𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤−𝑠𝑢𝑟𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑠 ∗ σ ∗ ε ∗ (Tw 4 − Tsurroundings ) 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 = 𝑚𝑒𝑣𝑎𝑝 ∗ ℎ𝑓𝑔 Siendo, - 𝐴, el área de transferencia de disipación del sistema. - 𝑇𝑎, la temperatura del aire. - 𝑇𝑠𝑘𝑦, la temperatura del cielo. - 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑠, la temperatura de los alrededores. - 𝐹𝑠𝑘𝑦, el factor de forma del flujo de agua con el cielo. - 𝐹𝑑𝑜𝑤𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤−𝑠𝑢𝑟𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑠 , el factor de forma del flujo de agua con los alrededores. – ε = 0.9, la emisividad de la superficie de intercambio radiante. - 𝑚𝑒𝑣𝑎𝑝, el flujo de agua que se evapora. - ℎ𝑓𝑔, el calor latente de evaporación. La caracterización simplificada de los flujos de transferencia de calor producidos en el sistema de película de agua descendente se basa en la expresión teórica del enfriamiento de un líquido a lo largo de una longitud L, que se formula en 𝑇𝐿 = 𝑇∞ − (𝑇∞ − 𝑇0 ) ∗ 𝑒 –( 𝑈𝑃 / 𝑝𝑚𝐶𝑝)*L  Donde, -𝑇𝐿 es la temperatura del agua cuando recorre la longitud L. -𝑇∞ es la temperatura de equilibrio o estancamiento. -𝑇0 la temperatura inicial al inicio del enfriamiento. - 𝑈 es el coeficiente global de la transferencia de calor. -𝑃 el ancho del sistema de disipación. -𝐿 es la longitud de del sumidero. Para simplificar el modelo se va a tratar el calor convectivo y el evaporativo como un solo flujo de calor. 𝑄 = 𝑄𝑐𝑣 + 𝑄𝑟𝑎𝑑 + 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 → 𝑄 = 𝑄𝑟𝑎𝑑 + 𝑄𝑐𝑣−𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣e Desarrollando tenemos que: 𝑄𝑐𝑣−𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 = ℎ𝑐𝑣−𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑤 − 𝑇𝑤𝑏) 𝑄𝑟𝑎𝑑 = ℎ𝑟𝑎𝑑 ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑤 − 𝑇𝑠𝑘𝑦) Implantación de la propuesta tecnológica 46 46 ℎ𝑟𝑎𝑑 = 4 ∗ σ ∗ ε ∗ ((𝑇𝑤 + 𝑇𝑠𝑘𝑦) / 2) 3 𝑄 = ℎ𝑐𝑣−𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑤 − 𝑇𝑤𝑏) + ℎ𝑟𝑎𝑑 ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑤 − 𝑇𝑠𝑘𝑦) 𝑸 = (𝒉𝒄𝒗−𝒆𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓𝒂𝒕𝒊𝒗𝒆 + 𝒉𝒓𝒂𝒅) ∗ 𝑨 ∗ (𝑻𝒘 – ((𝒉𝒄𝒗−𝒆𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓𝒂𝒕𝒊𝒗𝒆∗𝑻𝒘𝒃+𝒉𝒓𝒂𝒅∗𝑻𝒔𝒌𝒚) / (𝒉𝒄𝒗−𝒆𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓𝒂𝒕𝒊𝒗𝒆+𝒉𝒓𝒂𝒅 ))) Siendo, - ℎ𝑐𝑣−𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 el coeficiente de transferencia de calor convectivo-evaporativo ( 𝑊 / 𝑚2 º𝐶 ). - ℎ𝑟𝑎𝑑 el coeficiente de transferencia de calor radiante ( 𝑊 / 𝑚2 º𝐶 ). - 𝑇𝑤𝑏 la temperatura del bulbo húmedo (º𝐶). De esta manera, se puede calcular la cantidad de calor que se puede evacuar gracias al sistema falling-film. 3.2.2 Análisis del modelo de producción de frío A continuación, y una vez establecida la base de cálculo, se analiza la evolución de los diferentes parámetros a estudiar. Estos parámetros son los inputs de partida facilitados por el grupo de Termotecnia de la Universidad de Sevilla [2]. Evolución temperaturas del cielo Figura 36. Evolución de temperaturas del cielo 47 47 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Evolución temperaturas de bulbo húmedo Figura 37. Evolución temperaturas de bulbo húmedo Evolución temperaturas exterior seca Figura 38. Evolución temperaturas exterior seca Implantación de la propuesta tecnológica 48 48 3.2.2.1 Analisis del caso principal de estudio (5 m3) A continuación, se estudia como quedan los outputs derivados de las consideraciones del caso principal de estudio ya comentadas al comienzo de esta sección 3.2. Es importante hacer especial atención al volumen del deposito seleccionado (5m3), ya que posteriormente se va a estudiar la variación de temperaturas en el caso de elegir un depósito de mitad de capacidad (2,5 m3), y otro del doble (10 m3). Figura 39. Evolución temperaturas de depósito (5 m3) Figura 40. Demanda de producción de frío de la vivienda VS producción de frío sistema falling-film (5 m3) 49 49 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Demanda de producción de la vivienda (kWh) 1543 Producción falling-film 5 m3 (kWh) 925 Tabla 5. Producción falling-film depósito 5 m3 3.2.2.2 Analisis del caso doble capacidad en depósito (10 m3) Figura 41. Evolución temperaturas de depósito (10 m3) Figura 42. Demanda de producción de frío de la vivienda VS producción de frío sistema falling-film (5 m3) Implantación de la propuesta tecnológica 50 50 Demanda de producción de la vivienda (kWh) 1543 Producción falling-film 10 m3 (kWh) 1139 Tabla 6. Producción falling-film depósito 10 m3 3.2.2.3 Análisis del caso mitad capacidad en depósito (2,5 m3) Figura 43. Evolución temperaturas de depósito (2,5 m3) Figura 44. Demanda de producción de frío de la vivienda VS producción de frío sistema falling-film (2,5 m3) 51 51 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Demanda de producción de la vivienda (kWh) 1543 Producción falling-film 2,5 m3 (kWh) 698 Tabla 7.Producción falling-film depósito 2,5 m3 3.2.2.4 Comparación de la variación de capacidad de deposito Como se ha podido comprobar, el depósito seleccionado es capaz de cubrir prácticamente un 60% de la demanda. Un depósito mayor aumenta la producción de frío proveniente del sistema de falling-film, pero conlleva una instalación y costes asociados mayores. Por otro lado, con un depósito de mitad de volumen también se cubre un importante porcentaje de la demanda de frío. Será cuestión particular de cada caso que volumen de depósito puede resultar más beneficioso. En el caso expuesto, se tiende a seleccionar el de 5 m3, buscando una solución universal aplicable a la mayoría de viviendas unifamiliares. kWh % Demanda de producción de la vivienda 1543 100 Producción falling-film 5 m3 925 59,95 Producción falling-film 10 m3 1139 73,82 Producción falling-film 2,5 m3 698 45,24 Tabla 8. Comparativa de producción de frio con diferente volumen de depósito Implantación de la propuesta tecnológica 52 52 3.3 Modelo de producción de energía fotovoltaica Para poder simular la cantidad de energía que pueden producir los paneles fotovoltaicos instalados hay que entender previamente cómo funciona la tecnología fotovoltaica. Para la ubicación de los módulos, la mejor orientación en cuanto a producción total es al Sur en zona libre de sombras y corrigiendo la latitud del lugar con una inclinación adecuada para que los rayos solares incidan perpendicularmente en su superficie. Aunque esta filosofía se tome como norma, hay que tener en cuenta que no siempre será lo más conveniente. En los casos en que el consumo esté más extendido en un tramo concreto del día o en una de las épocas del año será adecuado intentar maximizar la producción en esos momentos. Para ello se puede jugar con la inclinación (incidencia en épocas del año) y la orientación (incidencia en las horas del día). En el caso concreto que nos ocupa, se contará con orientación sur perfecta y con una inclinación de 12º (aportados por el soporte seleccionado). 3.3.1 Simulación de la producción de energía Se procede a estimar la producción de energía por m2 y hora para compararlo con el consumo y establecer que numero de paneles es el adecuado tanto desde el punto de vista del consumo, como el económico. Existen diferentes fuentes a las que acudir para obtener los datos de radiación solar en el lugar de la instalación. Entre las más conocidas encontramos PVGIS, base de datos de ámbito europeo. En este caso, se opta por utilizar una base de datos local que ofrece la Agencia Andaluza de la Energía. Los valores que se proporcionan pertenecen a años típicos meteorológicos y radiométricos obtenidos a partir de las bases de datos de valores medidos en estaciones de tierra y valores estimados a partir de imágenes de satélite. 53 53 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Una vez introducidas las coordenadas de la instalación se debe introducir los parámetros propios de la instalación. Figura 45. Introducción de datos de radiación De esta manera se obtiene un archivo Excel con la radiación media en Wh/m2 desglosado por horas para cada día del año. Al mismo Excel le colocamos ya el consumo por horas visto en el apartado 3.1. azimut 0º S Fecha Hora Inicio Consumo (kWh) Radiación 1 (Wh/m2) 2015/01/01 0 0,515 0,0 2015/01/01 1 0,369 0,0 2015/01/01 2 0,275 0,0 2015/01/01 3 0,248 0,0 2015/01/01 4 0,224 0,0 2015/01/01 5 0,224 0,0 2015/01/01 6 0,245 0,0 2015/01/01 7 0,291 0,0 2015/01/01 8 0,361 0,0 2015/01/01 9 0,413 76,1 2015/01/01 10 0,442 195,0 2015/01/01 11 0,454 300,8 2015/01/01 12 0,484 382,4 2015/01/01 13 0,512 409,9 2015/01/01 14 0,564 382,4 Implantación de la propuesta tecnológica 60 60 Tabla 11. Precios tarifa eléctrica tipo 3.4.3.1 Caso 1: Sistema híbrido. Falling-film y generación fotovoltaica Estudio eléctrico a 25 años vista: Tabla 12. Estudio eléctrico falling-film y generación fv Precio Energía Comprada Precio Energía Excedentaria Precio de la Potencia Potencia Contratada €/kWh €/kWh €/kW dia kW P1 0,170000 0,050000 0,135031 5,750 P2 0,120000 0,050000 P3 0,090000 0,050000 Año Consumo Actual de la Red (kWh) Producción Solar + Falling Film (kWh) Autoconsumo (kWh) Excedente Compensable (kWh) Excedente NO Compensable (kWh) Consumo Futuro de la Red (kWh) 0 16.364 9.839 3.817 5.340 682 2.547 26.364 9.765 3.788 5.295 682 2.576 36.364 9.691 3.759 5.250 682 2.604 46.364 9.617 3.731 5.205 682 2.633 56.364 9.543 3.702 5.160 682 2.662 66.364 9.470 3.674 5.114 682 2.690 76.364 9.396 3.645 5.069 682 2.719 86.364 9.322 3.616 5.024 682 2.748 96.364 9.248 3.588 4.979 682 2.776 10 6.364 9.175 3.559 4.934 682 2.805 11 6.364 9.101 3.530 4.889 682 2.833 12 6.364 9.027 3.502 4.843 682 2.862 13 6.364 8.953 3.473 4.798 682 2.891 14 6.364 8.879 3.445 4.753 682 2.919 15 6.364 8.806 3.416 4.708 682 2.948 16 6.364 8.732 3.387 4.663 682 2.977 17 6.364 8.658 3.359 4.618 682 3.005 18 6.364 8.584 3.330 4.572 682 3.034 19 6.364 8.510 3.301 4.527 682 3.062 20 6.364 8.437 3.273 4.482 682 3.091 21 6.364 8.363 3.244 4.437 682 3.120 22 6.364 8.289 3.216 4.392 682 3.148 23 6.364 8.215 3.187 4.347 682 3.177 24 6.364 8.141 3.158 4.301 682 3.206 25 6.364 8.068 3.130 4.256 682 3.234 61 61 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Estudio económico a 25 años vista: Tabla 13. Estudio económico falling-film + sistema fv VAN 48.261 € TIR 9,14 % AMORTIZACIÓN 10 años y 7 meses GASTO ELÉCTRICO ANUAL ANTERIOR 1.499,87 € ACTUAL (1er AÑO) 530,87 € Año Ahorro en el Término de Potencia Ahorro en el Término de Energía por Autoconsumo Compensación en el Término de Energía por Excedentes Otros Ahorros Ahorro Anual Gasto Anual Resultado Anual Resultado Acumulado 012.572 € -12.572 € 10 € 702 € 340 € 0 € 1.041 € 0 € 1.041 € -11.531 € 20 € 721 € 349 € 0 € 1.070 € 0 € 1.070 € -10.461 € 30 € 741 € 358 € 0 € 1.098 € 0 € 1.098 € -9.363 € 40 € 761 € 367 € 0 € 1.128 € 0 € 1.128 € -8.235 € 50 € 781 € 377 € 0 € 1.158 € 0 € 1.158 € -7.077 € 60 € 802 € 386 € 0 € 1.189 € 0 € 1.189 € -5.889 € 70 € 824 € 396 € 0 € 1.220 € 0 € 1.220 € -4.668 € 80 € 846 € 406 € 0 € 1.253 € 0 € 1.253 € -3.416 € 90 € 869 € 417 € 0 € 1.286 € 0 € 1.286 € -2.130 € 10 0 € 892 € 428 € 0 € 1.320 € 0 € 1.320 € -810 € 11 0 € 916 € 439 € 0 € 1.354 € 0 € 1.354 € 544 € 12 0 € 940 € 450 € 0 € 1.390 € 0 € 1.390 € 1.934 € 13 0 € 965 € 461 € 0 € 1.426 € 0 € 1.426 € 3.360 € 14 0 € 991 € 473 € 0 € 1.463 € 0 € 1.463 € 4.823 € 15 0 € 1.017 € 485 € 0 € 1.501 € 0 € 1.501 € 6.325 € 16 0 € 1.044 € 497 € 0 € 1.540 € 0 € 1.540 € 7.865 € 17 0 € 1.071 € 509 € 0 € 1.580 € 0 € 1.580 € 9.446 € 18 0 € 1.099 € 522 € 0 € 1.621 € 0 € 1.621 € 11.066 € 19 0 € 1.128 € 535 € 0 € 1.663 € 0 € 1.663 € 12.729 € 20 0 € 1.157 € 548 € 0 € 1.705 € 0 € 1.705 € 14.434 € 21 0 € 1.187 € 561 € 0 € 1.749 € 0 € 1.749 € 16.183 € 22 0 € 1.218 € 575 € 0 € 1.793 € 0 € 1.793 € 17.976 € 23 0 € 1.249 € 589 € 0 € 1.838 € 0 € 1.838 € 19.814 € 24 0 € 1.281 € 603 € 0 € 1.885 € 0 € 1.885 € 21.699 € 25 0 € 1.314 € 618 € 0 € 1.932 € 0 € 1.932 € 23.631 € Implantación de la propuesta tecnológica 62 62 3.4.3.2 Caso 2: Sistema de generación fotovoltaica sin falling-film Estudio eléctrico a 25 años vista: Tabla 14.Estudio eléctrico SIN falling-film y generación fv Año Consumo Actual de la Red (kWh) Producción Solar (kWh) Autoconsumo (kWh) Excedente Compensable (kWh) Excedente NO Compensable (kWh) Consumo Futuro de la Red (kWh) 0 16.364 8.913 3.720 4.511 682 2.643 26.364 8.846 3.693 4.472 682 2.671 36.364 8.779 3.665 4.433 682 2.699 46.364 8.712 3.637 4.394 682 2.727 56.364 8.645 3.609 4.355 682 2.755 66.364 8.579 3.581 4.316 682 2.783 76.364 8.512 3.553 4.277 682 2.811 86.364 8.445 3.525 4.238 682 2.839 96.364 8.378 3.497 4.199 682 2.867 10 6.364 8.311 3.469 4.160 682 2.895 11 6.364 8.244 3.441 4.121 682 2.922 12 6.364 8.178 3.414 4.082 682 2.950 13 6.364 8.111 3.386 4.043 682 2.978 14 6.364 8.044 3.358 4.004 682 3.006 15 6.364 7.977 3.330 3.965 682 3.034 16 6.364 7.910 3.302 3.926 682 3.062 17 6.364 7.843 3.274 3.888 682 3.090 18 6.364 7.776 3.246 3.849 682 3.118 19 6.364 7.710 3.218 3.810 682 3.146 20 6.364 7.643 3.190 3.771 682 3.174 21 6.364 7.576 3.162 3.732 682 3.201 22 6.364 7.509 3.134 3.693 682 3.229 23 6.364 7.442 3.107 3.654 682 3.257 24 6.364 7.375 3.079 3.615 682 3.285 25 6.364 7.309 3.051 3.576 682 3.313 63 63 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Estudio económico a 25 años vista: Tabla 15. . Estudio económico SIN falling-film + sistema fv VAN 37.780 € TIR 23,67 % AMORTIZACIÓN 4 años y 6 meses GASTO ELÉCTRICO ANUAL ANTERIOR 1.499,87 € ACTUAL(1er AÑO) 624,87 € Año Ahorro en el Término de Potencia Ahorro en el Término de Energía por Autoconsumo Compensación en el Término de Energía por Excedentes Otros Ahorros Ahorro Anual Gasto Anual Resultado Anual Resultado Acumulado 04.570 € -4.570 € 10 € 683 € 287 € 0 € 969 € 0 € 969 € -3.601 € 20 € 701 € 294 € 0 € 996 € 0 € 996 € -2.605 € 30 € 720 € 302 € 0 € 1.022 € 0 € 1.022 € -1.583 € 40 € 740 € 310 € 0 € 1.050 € 0 € 1.050 € -533 € 50 € 760 € 318 € 0 € 1.078 € 0 € 1.078 € 545 € 60 € 780 € 326 € 0 € 1.106 € 0 € 1.106 € 1.651 € 70 € 801 € 334 € 0 € 1.136 € 0 € 1.136 € 2.787 € 80 € 823 € 343 € 0 € 1.166 € 0 € 1.166 € 3.953 € 90 € 845 € 352 € 0 € 1.197 € 0 € 1.197 € 5.149 € 10 0 € 868 € 361 € 0 € 1.228 € 0 € 1.228 € 6.377 € 11 0 € 891 € 370 € 0 € 1.260 € 0 € 1.260 € 7.638 € 12 0 € 914 € 379 € 0 € 1.293 € 0 € 1.293 € 8.931 € 13 0 € 939 € 389 € 0 € 1.327 € 0 € 1.327 € 10.258 € 14 0 € 964 € 398 € 0 € 1.362 € 0 € 1.362 € 11.620 € 15 0 € 989 € 408 € 0 € 1.397 € 0 € 1.397 € 13.017 € 16 0 € 1.015 € 418 € 0 € 1.433 € 0 € 1.433 € 14.451 € 17 0 € 1.042 € 429 € 0 € 1.470 € 0 € 1.470 € 15.921 € 18 0 € 1.069 € 439 € 0 € 1.508 € 0 € 1.508 € 17.429 € 19 0 € 1.097 € 450 € 0 € 1.547 € 0 € 1.547 € 18.976 € 20 0 € 1.125 € 461 € 0 € 1.586 € 0 € 1.586 € 20.562 € 21 0 € 1.155 € 472 € 0 € 1.627 € 0 € 1.627 € 22.189 € 22 0 € 1.184 € 484 € 0 € 1.668 € 0 € 1.668 € 23.857 € 23 0 € 1.215 € 495 € 0 € 1.710 € 0 € 1.710 € 25.568 € 24 0 € 1.246 € 507 € 0 € 1.753 € 0 € 1.753 € 27.321 € 25 0 € 1.278 € 519 € 0 € 1.797 € 0 € 1.797 € 29.118 € Implantación de la propuesta tecnológica 64 64 3.4.3.3 Caso 3: Sistema de refrigeración tradicional En este caso, no hay necesidad de simular nada. El consumo eléctrico medio anual con las necesidades de refrigeración (6364 kWh) se mantendría constante y dadas las consideraciones económicas comentadas (aumento precio electricidad, etc) si no se acomete la instalación 1 o 2 el gasto anual irá incrementándose y las pérdidas serán el coste de oportunidad de no acometer ninguna de las dos instalaciones. VAN - TIR - AMORTIZACIÓN - GASTO ELÉCTRICO ANUAL ANTERIOR 1.499,87 € ACTUAL (1er AÑO) 1.499,87 € 3.4.4 Comparativa de los casos CASO 1: FALLINGFILM + FV CASO 2: FV SIN FALLING-FILM CASO 3: SIN INSTALACIÓN (REFRIGERACIÓN TRADICIONAL) VAN 48.261 € 37.780 € - TIR 9,14 % 23,67 % - AMORTIZACIÓN 10 años y 7 meses 4 años y 6 meses - GASTO ELÉCTRICO ANUAL ANTERIOR 1.499,87 € ANTERIOR 1.499,87 € ANTERIOR 1.499,87 € ACTUAL 530,87 € ACTUAL 624,87 € ACTUAL 1.499,87 € CONSUMO ELÉCTRICO TOTAL 5744 kWh 6364 kWh 6364 kWh COSTE 12.572 € 4.570 € 0 € Tabla 16. Resumen comparativo casos de estudio Como se puede observar en las tablas correspondientes a cada uno de los dos primeros casos, no acometer ninguna instalación sería lo menos rentable a nivel económico. Entre las dos opciones de instalación, encontramos que el caso de la instalación fotovoltaica simple puede ser más beneficiosa a nivel de amortización y simplicidad técnica de la instalación. A pesar de esto, a niveles globales de retorno de inversión la instalación de falling-film hace que, a pesar de una 65 65 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. amortización más tardía, en números globales se consigue un mayor beneficio en términos de Valor Actual Neto. Es importante considerar, que se trata de una simulación experimental donde no se tienen en cuenta muchos factores asociados y que pueden afectar como puede ser el incremento anual de temperatura, donde el sistema falling-film se vería beneficiado. Por otro lado, si es cierto que la instalación que contempla el falling-film conlleva mayores costes al ser más tediosa. Si dicha instalación estuviera realizada desde un principio en la propia construcción de la vivienda, los costes serían mucho menores. 3.4.5 Estudio de la viabilidad de añadir baterías Una idea sería añadir baterías para aprovechar al máximo la producción fotovoltaica. Al funcionar el sistema en modo nocturno, necesita alimentación eléctrica proveniente de la calle. Se parte del caso de la instalación híbrida de fotovoltaica y falling-film. Haciendo los cálculos de producción y consumo horarios, se puede estimar los excedentes de la planta fotovoltaica: Se puede estimar en base a la producción y al consumo de la vivienda y cuanto excedente existe a lo largo del año: Tabla 17. Excedente fotovoltaico para almacenaje de baterías Este excedente en mayor parte es compensable y se percibe un descuento por parte de la comercializadora al inyectarlo a la red. Aun así, es mas beneficioso si se consume in situ ya que el precio al que se compra el kWh a las comercializadoras siempre será mayor al precio de compensación. Teniendo en cuenta el modelo de inversor seleccionado, se puede escoger unas baterías de litio del mismo fabricante: Excedente mensual Modulos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre P1 171 226 299 362 398 350 304 305 267 252 186 136 3.257 54% P2 111 174 257 332 373 317 274 277 233 195 126 82 2.751 46% P3 0 0 0 1 5 4 3 1 0 0 0 0 14 0% Excedente 282 400 557 695 776 671 581 583 501 447 313 218 6.022 kWh Implantación de la propuesta tecnológica 66 66 Figura 50. Baterías de litio Teniendo en cuenta que el consumo horario medio nocturno es de 0,7 kWh por hora, y se recomienda una autonomía de unas 10 horas, parece conveniente seleccionar 10 kWh de almacenamiento. El coste total de la batería con la instalación se estima en 6200 €. Se calcula cuanta energía anual se puede almacenar en la batería para su uso, siendo el resumen eléctrico el siguiente: CONSUMO TOTAL DE LA VIVIENDA 6364 kWh PRODUCCIÓN FOTOVOLTAICA 9839 kWh ENERGÍA CONSUMIDA DE LA BATERÍA 2404 kWh ENERGÍA AUTOCONSUMIDA DIRECTAMENTE 3820 kWh ENERGÍA NECESARIA DE LA RED 3615 kWh Tabla 18. Comparativa de consumos con baterías 67 67 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. Se puede estimar un precio medio de ahorro por utilizar energía de baterías de 0,15 €/kWh, dando como resultado un ahorro anual de 360,4 € Tabla 19. Estudio económico con baterías en el sistema falling film Haciendo la comparación: SIN BATERÍA CON BATERÍA INVERSIÓN 12.572 € 18.772 € AHORRO ANUAL 932 € 1.236 € AMORTIZACIÓN 10 años y 7 meses 13 años y 5 meses Tabla 20. Comparativa económica con baterías Como se puede observar, se tardaría algo más en amortizar la inversión debido al alto precio de las baterías de litio. Por otro lado, se tendría mucho mayor autonomía e independencia de la red, con los beneficios que ello supone. Otro punto a favor es el de contar con consumos nocturnos estables como es el caso de las bombas de falling-film y la posible carga de un vehículo eléctrico. Año Ahorro en el Término de Potencia Ahorro en el Término de Energía por Autoconsumo Compensación en el Término de Energía por Excedentes Ahorro por consumo en Baterias Ahorro Anual Préstamo Otros Gastos Gasto Anual Resultado Anual Resultado Acumulado 00 € 18.772 € 18.772 € -18.772 € 10 € 534 € 341 € 360 € 1.236 € 0 € 0 € 0 € 1.236 € -17.536 € 20 € 548 € 350 € 360 € 1.259 € 0 € 0 € 0 € 1.259 € -16.277 € 30 € 563 € 360 € 360 € 1.283 € 0 € 0 € 0 € 1.283 € -14.994 € 40 € 578 € 369 € 360 € 1.308 € 0 € 0 € 0 € 1.308 € -13.686 € 50 € 594 € 379 € 360 € 1.333 € 0 € 0 € 0 € 1.333 € -12.353 € 60 € 610 € 389 € 360 € 1.359 € 0 € 0 € 0 € 1.359 € -10.994 € 70 € 627 € 399 € 360 € 1.386 € 0 € 0 € 0 € 1.386 € -9.608 € 80 € 643 € 409 € 360 € 1.413 € 0 € 0 € 0 € 1.413 € -8.195 € 90 € 661 € 420 € 360 € 1.441 € 0 € 0 € 0 € 1.441 € -6.754 € 10 0 € 678 € 430 € 360 € 1.469 € 0 € 0 € 0 € 1.469 € -5.285 € 11 0 € 696 € 442 € 360 € 1.498 € 0 € 0 € 0 € 1.498 € -3.787 € 12 0 € 715 € 453 € 360 € 1.528 € 0 € 0 € 0 € 1.528 € -2.258 € 13 0 € 734 € 464 € 360 € 1.559 € 0 € 0 € 0 € 1.559 € -700 € 14 0 € 753 € 476 € 360 € 1.590 € 0 € 0 € 0 € 1.590 € 890 € 15 0 € 773 € 488 € 360 € 1.622 € 0 € 0 € 0 € 1.622 € 2.512 € 16 0 € 794 € 501 € 360 € 1.655 € 0 € 0 € 0 € 1.655 € 4.167 € 17 0 € 814 € 513 € 360 € 1.688 € 0 € 0 € 0 € 1.688 € 5.855 € 18 0 € 836 € 526 € 360 € 1.722 € 0 € 0 € 0 € 1.722 € 7.578 € 19 0 € 858 € 539 € 360 € 1.757 € 0 € 0 € 0 € 1.757 € 9.335 € 20 0 € 880 € 553 € 360 € 1.793 € 0 € 0 € 0 € 1.793 € 11.128 € 21 0 € 903 € 566 € 360 € 1.830 € 0 € 0 € 0 € 1.830 € 12.957 € 22 0 € 926 € 580 € 360 € 1.867 € 0 € 0 € 0 € 1.867 € 14.824 € 23 0 € 950 € 595 € 360 € 1.905 € 0 € 0 € 0 € 1.905 € 16.729 € 24 0 € 974 € 609 € 360 € 1.944 € 0 € 0 € 0 € 1.944 € 18.673 € 25 0 € 999 € 624 € 360 € 1.984 € 0 € 0 € 0 € 1.984 € 20.657 € Implantación de la propuesta tecnológica 68 68 3.5 Conclusiones Es muy interesante, como en este capítulo se ha podido observar, la multitud de variantes que se pueden añadir a la instalación (baterías, cambio de volumen del depósito, etc) y como afecta a la producción de frío y a la inversión. Es complicado decir cual es el punto óptimo, ya que dependerá de cada concreto. En termino generales, se puede decir que una instalación fotovoltaica con un pequeño sistema de falling-film el cual no sea difícil de implementar en una vivienda, puede ser rentable en términos económicos y de eficiencia energética. 69 69 Estudios y análisis requeridos para el incremento de TRL de la solución falling film integrada en edificios residenciales. 4 CONCLUSIONES Dado los últimos años climáticos y el aumento y registro de temperaturas máximas parece muy interesante las líneas de investigación en la búsqueda de aumentar la eficiencia energética en construcciones residenciales. Era el fin de este trabajo estudiar la viabilidad económica de una instalación novedosa investigada por el grupo de Termotecnía de la Universidad de Sevilla. Como se ha podido demostrar, parece seguro y muy rentable instalar paneles fotovoltaicos. Se trata de una tecnología asentada después de varios años y con un estado de arte avanzado. En el caso de falling-film, parece que tiene mucho desarrollo por delante y es una tecnología que puede funcionar muy bien. Aun así, los costes de la instalación hacen que su rentabilidad no sea tan favorable como con el caso de paneles fotovoltaicos únicamente. Al necesitar instalar depósitos soterrados y lo que conlleva (transporte, movimiento de tierras, etc) los años de amortización son mayores en comparación con un sistema único de FV que apoye a los sistemas de refrigeración eléctricos tradicionales. Esto no significa que no sea rentable, ya que el Aun así, las simulaciones realizadas hacen pensar que se puede optimizar mucho el tipo de instalación y buscar un punto de mayor eficiencia a nivel de producción de frío y de disminución de costes constructivos. Como se ha podido comprobar, variando elementos como puede ser la capacidad volumétrica del deposito soterrado, la producción de frío que puede aportar el sistema falling-film puede aumentar o disminuir considerablemente. Esto hace que sea un sistema adaptable a las necesidades y particularidades de las posibles instalaciones domésticas objeto de este trabajo. Por otro lado, con la inclusión de baterías de litio se puede reducir el consumo eléctrico nocturno debido a las bombas del sistema. Se ha comprobado que a medio-largo plazo, los beneficios pueden verse aumentados si consideramos la importancia de la independencia con respecto a la red y las posibles subidas del precio de la electricidad. Todo esto se puede implementar con nuevas tecnologías del hogar como son la aerotermia, el punto de recarga del vehículo eléctrico (consumo nocturno), enchufes inteligentes para dirigir el consumo a las horas de producción, etc. Personalmente me parece apasionante este campo de estudio, buscando una eficiencia total a través de una energía limpia en viviendas residenciales.